本发明专利技术提供一种基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，具体步骤包括对钛金属表面规则氧化钛纳米管阵列薄膜进行碳等离子体浸没离子注入和沉积处理，以此在钛金属表面形成具有纳米中空锥形阵列的石墨/氧化钛复合薄膜。本发明专利技术实现石墨/氧化钛复合纳米材料的制备，解决现有技术中钛金属表面原位氧化生成的纳米氧化钛薄膜材料成分和结构组成单一的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及ー种基于钛金属表面制备纳米复合材料的方法，具体说，是涉及ー种使用阳极氧化技术和等离子体浸没离子注入和沉积技术复合エ艺在钛金属表面制备具有纳米中空锥形阵列结构的石墨/氧化钛复合薄膜的方法，属于纳米材料制备和金属材料表面改性
技术介绍
氧化钛材料因为具有优良的抗腐蚀性，生物相容性，优异的电学和半导体特性在材料保护，生物医学，半导体器件和光催化，环境保护等诸多领域得到广泛的研究和应用。氧化钛纳米管薄膜材料既具有材料本身的功能性，又具有纳米尺度的管状几何结构，同时具有性能各向异性，制备简单等特点，使其作为ー类新的功能型纳米薄膜材料深化和拓宽 在各领域的研究和应用。阳极氧化技术由于廉价的设备，简单可控的エ艺等优点广泛用于金属材料表面修饰和改性。Zwilling (Surface and Interface Analysis 1999,27(7) :629-637.)等人发现含氟电解液中钛基材阳极氧化可以在其表面原位氧化生成纳米多孔氧化钛薄膜，使得阳极氧化技术成为基于钛基材表面原位氧化生成纳米氧化钛薄膜材料的主要技术手段。通过一系列的エ艺參数调整，可以实现钛金属表面的规则氧化钛纳米管阵列薄膜的制备。等离子体浸没离子注入及沉积(Plasmaimmersion ion implantation anddeposition, PIII&D)技术是近年来得到广泛应用的ー种新型表面改性手段，其基本原理是产生的低温等离子体浸没待处理样品，通过外界偏压设定在样品表面实现高能量的离子注入，利用注入离子的扩散和能量凝聚作用方便地实现样品表面成分多元素的复合和表面纳米结构的生成。Lifshitz等人研究表明高能量离子注入利于表面纳米晶粒的形核(Science 2002, 297 (5586) : 1531-1533.)。与其它表面改性技术比较，等离子体浸没离子注入具有独特的优点离子注入过程是非热平衡过程，不受冶金学规律的限制，可以实现大多数离子的注入对样品表面进行改性和修饰；同时离子注入过程是瞬时加热过程，不会引发材料内部结构、成分和外部形状的变化；此外，PIII&D技术具有高反应活性和全方位的特点，能够有效地对异型材料进行均匀的离子注入和沉积，适合具有复杂形状的材料的注入过程，克服了传统离子注入技术只能进行“视线注入”的缺点。然而氧化钛纳米管薄膜材料的材料体系的单ー组成和结构特征仍不能满足新的功能设计需求。因此，为了解决现有技术中钛金属表面原位氧化生成的纳米氧化钛薄膜材料成分和结构组成単一的问题，如何实现材料体系的纳米化，复合化以实现其功能化是新材料设计和制备中的关键问题。
技术实现思路
面对现有技术存在的上述问题，本专利技术g在通过能够同时实现结构上納米尺度特殊结构设计和组成上納米晶粒复合材料制备的复合エ艺，提供ー种基于钛金属表面制备具有纳米中空锥形阵列结构的石墨/氧化钛复合薄膜的方法。本专利技术提供ー种基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，具备以下步骤对钛金属表面的规则氧化钛纳米管阵列薄膜进行碳等离子体浸没离子注入和沉积处理工艺，以此在钛金属表面形成具有纳米中空锥形阵列的石墨/氧化钛复合薄膜。在本专利技术中，较佳地在进行碳等离子体浸没离子注入或沉积处理时以高纯石墨为阴极。石墨作为实验用碳素来源，因其价格低廉和易于加工成形的特点得到广泛运用；高纯石墨具有高纯度特点，经脉冲离化后能形成均匀，高密度ー价碳正离子等离子体。这种碳等离子体在磁场和电场的作用下具有简单的行为特征并具有可操控的特点，有利于表面碳锥形中空结构的成核和生长。在本专利技术中，较佳地是在本底真空度为3. 0X10_3 5. 0X10_3Pa、注入电压为 15 40kV、脉冲频率为5 9Hz、脉宽为200 500 μ S、注入时间为30 120分钟的エ艺条件下，利用所述等离子体浸没离子注入处理工艺对钛金属表层的规则氧化钛纳米管阵列薄膜进入碳离子注入。这样，可以使碳沉积在纳米管ロ，获得含碳的氧化钛纳米管薄膜。所述等离子体浸没离子沉积处理工艺优选在本底真空度为3.0Χ10_3 5. OX 10_3Pa、脉冲电压为200 600V、脉冲频率为5 9Hz、脉宽为1000 4000 μ S、占空比为10% 30%、沉积时间为30 120分钟的エ艺条件下进行。将经过等离子体浸没离子注入碳离子处理钛金属表面得到的含碳氧化钛纳米管薄膜进行等离子体浸没离子沉积处理可以使碳沉积在纳米管ロ形成环状膜层。又，所述环状膜层为逐层生成形成。由于氧化钛纳米管其特殊表面结构影响外层等离子体鞘层的形成，碳离子受到这种非对称鞘层扰动影响，逐层沉积生长的环状薄膜出现轴向偏移，其碳环直径逐渐减小，最終在纳米管表面形成锥形中空结构。本专利技术利用等离子体浸没离子注入及沉积技术，所述碳离子注入规则氧化钛纳米管阵列薄膜上进行碳离子沉积，使规则氧化钛纳米管阵列形貌完全被纳米锥形结构阵列代替。得到在钛金属表面形成的具有纳米中空锥形阵列的石墨/氧化钛复合薄膜。钛金属表面经过阳极氧化技术处理得到的氧化钛纳米管薄膜，其表面呈现超亲水特性；进行碳等离子体注入或沉积技术处理后，根据处理程度的不同，能逐步实现薄膜表面从超亲水到疏水过程的转变。利用这种亲疏水性转变的特性，复合薄膜能够应用于自清洁领域；同时石墨/氧化钛复合能够实现氧化钛材料在可见光范围内的光催化作用，在环境保护如污水处理和室外抗污涂层或薄膜领域中可能得到研究和应用。本专利技术的制备方法中，采用阳极氧化技术在钛金属表面原位氧化生成规则氧化钛纳米管阵列薄膜。该方法是获得独立纳米管阵列薄膜的有效途径，且脱离阵列后的Ti片可以直接被再次利用。此外，优选地，所述氧化电压为30 80V，氧化时间为5 15小吋。这样可更好地在钛金属基上制得完整、独立、有序的纳米管阵列薄膜，且形状尺寸可控。本专利技术通过对钛金属表面的规则氧化钛纳米管阵列薄膜进行碳等离子体浸没离子注入处理和沉积处理，可以在钛金属表面形成具有纳米中空锥形阵列结构的石墨/氧化钛复合薄膜，其结构特征为纳米锥状阵列，其表面呈现疏水特性，碳等离子体技术处理实现薄膜表面亲疏水性转变；同时与纳米管阵列结合构成封闭中空结构，可能应用于药物的装载和输运。优选地形成的所述石墨/氧化钛复合薄膜组分为石墨和锐钛矿型的氧化钛纳米晶粒和无定形石墨，结晶的石墨/氧化钛复合薄膜能有效降低氧化钛的禁带宽度，实现在可见光范围的光催化作用，在光催化和环境污染治理领域得到应用。本专利技术实现石墨/氧化钛复合纳米材料的制备，解决现有技术中钛金属表面原位氧化生成的纳米氧化钛薄膜材料成分和结构组成单ー的问题。附图说明图I示出本专利技术的经过预处理后的钛金属表面形貌 图2a示出经本专利技术的阳极氧化处理的钛金属表面形貌图，内插图是高倍形貌图； 图2b示出经本专利技术的阳极氧化和等离子体浸没离子注入处理的钛金属表面形貌图，内插图是高倍形貌 图2c示出经本专利技术的阳极氧化和等离子体浸没离子注入和沉积处理的钛金属表面形貌图，内插图是高倍形貌 图2d示出经本专利技术的阳极氧化和等离子体浸没离子注入和沉积复合エ艺处理的钛金属表面得到的具有纳米中空锥形阵列结构复合薄膜的表面形貌图，内插图是高倍形貌图；图3示出经本专利技术的复合エ艺处理钛金属表面后得到的具有纳米中空锥本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括对钛金属表面规则氧化钛纳米管阵列薄膜进行碳等离子体浸没离子注入和沉积处理，以此在钛金属表面形成具有纳米中空锥形阵列的石墨/氧化钛复合薄膜。2.根据权利要求I所述的基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在进行碳等离子体浸没离子注入或沉积处理时以高纯石墨为阴扱。3.根据权利要求2所述的基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在于，对钛金属表面的规则氧化钛纳米管阵列薄膜进行碳等离子体浸没离子注入エ艺使碳在纳米管ロ沉积，以此形成含碳氧化钛纳米管薄膜。4.根据权利要求3所述的基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在于，对经碳等离子体浸没离子注入处理形成的含碳氧化钛纳米管薄膜进行碳等离子体浸没离子沉积处理，使纳米管ロ碳沉积为环状膜层。5.根据权利要求4所述的基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述环状膜层为逐层生长形成。6.根据权利要求I至5中任一项所述的基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在干，所述等离子体浸没离子注入处理工艺条件为本底真空度为3. O X 10_3 5.0X10_3Pa、注入电压为15 40kV、脉冲频率为5 9Hz、脉宽为200 500 μ S、注入时间为30 120分钟。7.根据权利要求7所述的基于钛金属表面制备纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述等离子体浸没离子注入处理工艺条件为本底真空度为4. OX 1...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宣勇，钱仕，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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